长庆油田陇东三维水平井用PDC钻头个性化设计

许明光，陈玉平，王建军

(渤海钻探石油工程总承包分公司，西安 710000)

长庆油田陇东三维水平井用PDC钻头个性化设计

许明光，陈玉平，王建军

(渤海钻探石油工程总承包分公司，西安 710000)

长庆陇东油田因受地形地貌和整体开采方案的制约，需要采用三维水平井开发。水平井施工中由于上部地层复杂，靶前距离短，偏移距大，井眼轨迹控制难度大，对于PDC钻头的性能提出了更高的要求。针对该区块地层和定向轨迹控制特点，笔者进行了三维水平井用PDC钻头个性化设计，现场应用表明：钻头平均机械钻速和单只钻头进尺分别提高了21.29％和20.12％，较好地满足了三维水平井的优快施工。

三维水平井；可钻性；PDC钻头；个性化设计

由于长庆陇东油田三维水平井的轨迹控制难度较大，牙轮钻头由于有活动部件，使用周期较短，容易发生井下落物事故，严重制约着三维水平井的提速。为解决这一难题，使用compass软件对定向井轨迹剖面进行了优化设计，并有针对性地研制了三维水平井用PDC钻头，该类型钻头冠部采用了中锥型剖面形状，外部剖面形状为短抛物线形，切削齿选择了预倒角边缘加强齿及双重保护切削结构，主切削齿选用16mm齿，辅助切削齿采用13mm齿，切削齿后倾角由钻头中心向外逐渐由15°增加到20°，切削齿侧转角为5°，采用切边齿保径设计，保径块采用中等长度（50～60mm）螺旋形低摩阻设计。

1 陇东区块目的层延长组岩石可钻性分析

陇东区块延长组砂岩主要为凝灰质不等粒砂岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质中砂质细砂岩、凝灰质含泥不等粒砂岩和薄层不含凝灰质的砂砾岩。砂岩一般为细粒到中粒，分选中等，颗粒排列中等到紧密。孔隙发育较差，大小颗粒杂乱分布。泥岩主要是深灰色泥岩、黑色磷质泥岩。利用实钻岩心对该层岩石可钻性级值进行了室内试验，结果见表1。

表1 陇东区块延长组岩心可钻性室内试验数据

由表1可知，该层位岩石非均质性极强，可钻性波动幅度大，岩石可钻性级值最小值为3.08，最大值为6.84，软硬地层交替出现，对PDC钻头的工作十分不利。为提高水平井段的钻井速度，采用了复合钻井技术，由于该技术高转速，多工况的技术要求，以及该区块复杂的地层特点，造成现有PDC钻头适应性较差，机械钻速低，制约了该区块的快速开发。

2 三维水平井对PDC钻头的要求

三维水平井由于靶前距较短，三维水平井由于靶前距较短一般在200m-240m之间，偏移距100m-150m之间，根据井上实际情况进行了定向井段的剖面优化设计，要求PDC钻头具有良好的工具稳定能力，有效的提高定向施工效率，应选用钻头刀翼裙部较短，钻头侧向力相对较弱的五刀翼设计。排泄道畅通避免了因冷却不均导致复合片产生热效应而失效。

复合钻井技术具有高转速特征，钻头的绝对转速可近似认为是转盘转速和螺杆转速之和。对于常规低速大扭矩螺杆，转速也在110 r/ min以上，钻头的工作转速一般会高于170 r/min。由于没有活动部件，高转速对PDC钻头造成的影响较小。但复合钻井时钻头工作转速是常规转盘钻井的3～4倍，切削齿和钻头保径所承受的冲击载荷增大、磨损程度加剧，应优选抗冲击性能较好的金刚石复合片，并加强钻头保径的耐磨性，保证钻头使用寿命。

3 新型PDC钻头结构优化设计

3.1 钻头刀翼及钻头冠部形状设计PDC钻头的刀翼越多，钻头工作越稳定，钻头使用寿命越长，但是机械钻速较低，根据长庆油田陇东区块延长组定向施工经验，选择五刀翼钻头进行施工。

PDC钻头冠部形状决定着PDC钻头的布齿面，将影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部位的载荷分布。PDC钻头冠部剖面形状有四种基本类型，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型[4-6]，其中平底型和浅锥型，由于内锥较浅，起不到稳定钻头的作用，钻头工作时很容易产生横向振动，造成切削齿的冲击损坏，尤其钻遇硬夹层时，常常因冠顶齿和外部齿的先期磨损而导致钻头失效，钻头中心附近的切削齿得不到最有效的利用，从而对钻头寿命造成严重的影响。中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥和较大的布齿面积，外部区域可布置较多的切削齿；一定深度的内锥可起到稳定钻头的作用，减少钻头的横向振动，延长钻头工作寿命。中锥型冠部剖面具有较强钻进硬夹层的能力，钻遇硬夹层时，钻压的分配更集中于钻头冠顶部位，使冠顶切削齿更容易吃入较硬的地层。长锥型冠部剖面形状通常为近抛物线形，在四种剖面形状中布齿面积最大，钻头外部可布置较多的切削齿，主要适用于高转速钻头的设计。

针对陇东区块延长地层软硬交错，夹层多的特点，采用中锥型剖面形状，外部剖面形状为短抛物线形，这种剖面设计同时兼顾了三维水平井PDC钻头对造斜性能的较高要求。M5365L-2-215.9型钻头为5刀翼19mm齿PDC钻头，为了应对地层软硬交错，采用19mm优质复合片，加强了钻头的抗冲击性能，避免主力切削齿钻遇钻遇软硬交界面时提前损坏，影响钻头的切削能力。该钻头采用中锥形剖面设计，中等布齿密度，同时为了增加其稳定性，还采用螺旋刀翼设计，在实际使用中取得了较好的效果。

3.2 切削齿的选择与切削结构设计1）双重保护切削结构设计。三维水平井用钻头需要完成直井段负位移的调整、造斜、扭方位、入窗等多个工况，对PDC钻头的综合性能要求较高。合理的设计吃入深度控制结构，能够既有效地控制滑动钻进时的钻头扭矩、减少工具面波动，又不会明显降低复合钻进时的机械钻速[7]。综合考虑陇东区块地层情况和复合钻井特点，最终采用双重保护切削结构，如图1所示。这种结构不仅可以获得稳定的钻头工作扭矩，对提高钻头寿命也起到重要的作用：在钻头钻遇硬地层时，辅助切削齿分担冠部切削齿的钻压，减小冠部切削齿的损坏几率，同时参与切削岩层，增加钻头的使用寿命。在进入软地层时，这种双重切削结构可以减缓钻压的突然改变，减小钻头的震动，从而保护切削齿不受损坏。

2）切削齿形状和尺寸选择。陇东区块延长组含有软硬交互层，当钻头钻遇较硬的砂泥岩地层时，切削齿将承受较大的钻压和扭矩，容易导致切削齿崩断、碎等事故的发生[8-10]。为消除应力集中，减小切削齿崩裂失效的可能性，采用了预倒角结构，如图2所示，锥度为10°，锥面长度为2mm。通过预倒角结构，提高切削齿抵抗轴向和切向冲击载荷能力。

图1 双重保护切削结构

图2 预倒角结构切削齿

切屑齿直径大小的选择依地层可钻性极值而异。地层可钻性级值低，抗钻阻力小，在同样的钻压水平下，切削齿比较容易吃入地层，故较大切削齿可获得较高的破岩效率，机械钻速高、不易泥包；地层可钻性级值越高，抗钻阻力越大，切削齿尺寸越大，吃入越困难，相反小直径齿出露量较小，抗冲击韧性相对较好。因此，从提高破岩效率方面考虑，地层可钻性级值越高，选用的切削齿尺寸应越小。一般情况下，钻进3级以下软地层的PDC钻头，选用19mm切削齿可获得较高的破岩效率；钻进4～5级地层时，选用16mm切削齿可获得较高的破岩效率；钻进5级以上的硬地层，推荐采用13mm切削齿。根据陇东区块地层可钻性评价结果，地层可钻性级值在3～7级，主切削齿应选用16mm切削齿，辅助切削齿采用13mm切削齿。M5265LDB-215.9型PDC钻头为5刀翼16mm齿钻头，辅助切屑齿采用13mm齿，16mm主齿在切削硬度不高地层时有较好的破岩效果，在钻遇少量5级以上较硬夹层时，13mm辅助齿可在主齿出现轻微磨损后继续对地层进行有效切削，同时减少钻遇夹层时的振动，保证其稳定性，使得在定向钻进过程中能够按照预定的轨迹钻进。

3）切削角度设计。切削角度包括后倾角和侧转角，直接影响到钻头对地层的切削能力。随着地层硬度由低到高，切削齿的切削角度应逐渐由小变大，后倾角越小对地层的吃入性越强，切削齿承受的负荷也越大，在使用中更容易破损而影响钻头寿命。用于复合钻进的PDC钻头设计中，还必须综合考虑钻头的正向切削能力和侧向切削能力。钻头的正向切削能力强，表示钻头更容易吃入岩层，旋转钻进时具有较高的机械钻速，但钻头的工作扭矩对钻压的波动敏感，滑动钻进中工具面难以控制。侧向切削能力反映了钻头侧向吃入地层的能力，侧向切削能力太强容易在井壁上形成台阶或螺旋井眼等缺陷。

在综合考虑长庆油田陇东区块地层特点和水平井剖面设计的技术需求，M 5265LDB-215.9型PDC钻头，切削齿后倾角由钻头中心向外逐渐由15°增加到20°，切削齿侧转角为5°，这样的切削角度设计使得钻头在使用时保证钻头对地层的具有较好的吃入能力，同时在钻遇硬地层时不会因切屑齿承受过大的负荷而损坏，在钻遇软硬交界地层时，扭矩值会出现较大的波动，为了保证工具面的稳定，需要降低钻压平稳过渡。该地层软硬程度差距较大，极易在由软地层进入硬地层时形成台阶，因此切削齿侧转角为设计为5°，使得钻头具有适中的侧向切削能力，在定向钻进中这样可使得工具面较稳定，同时在钻遇软硬交界面时配合钻压和转数的变化可很好的避免形成台阶。

4）布齿密度和布齿方法。根据陇东区块岩石可钻性，钻头采用了五刀翼、中密度布齿设计。为适应复合钻进的高转速要求，为增强钻头外锥部位的耐磨性和抗冲击性，特别增加了钻头外侧部位的布齿密度。布齿数量和各切削齿位置按“力平衡原则”设计，横向不平衡力控制在钻压的3％以内，“力平衡设计”显著降低由钻头切削作用而产生的井下振动，增加钻头工作时的稳定性，提高钻头使用寿命。图3所示为新型PDC钻头的井底覆盖情况。

3.3 保径结构设计保径结构设计采用了主动保径结构和被动保径结构相结合的设计方案，如图4所示。主动保径结构保径齿分为切边的和不切边的。为减小复合钻进钻头引起的扭矩和工具面的波动，在复合钻进PDC钻头设计中普遍采用了切边齿保径设计，保径齿与井壁的接触面积大，齿不容易吃入井壁，钻头的侧向切削能力低，降低了钻头工作扭矩。被动保径是指保径块，在复合钻进钻头设计中，综合考虑了钻头的稳定性和侧钻能力，确定采用中等长度（50～60mm）螺旋形低摩阻保径块设计，保证钻头的工作稳定性和钻出光滑规则的井眼。海胜M 5365LDB-215.9型钻头为5刀翼19mm钻头，主动保径齿采用13mm优质复合片，这种设计可以保证定向钻进中钻头具有较好的保径能力，13mm齿在钻遇较硬地层时磨损较轻，并且具有很好的稳定性。切边齿保径设计，使得钻头刀翼与井壁接触面大，13mm齿使得其不易吃入地层，这样在钻进过程中即可确保其保径能力，还能避免大量吃入地层造成扭矩值有较大的波动，影响工具面的稳定。中等长度（50～60mm）保径块设计主要是为了使得钻头在钻进中进一步增大与井壁接触面，增加其稳定性，对于不规则井眼还具有修正功能。

图3 PDC钻头切削齿井底覆盖图

图4 设计PDC钻头保径结构

4 应用效果分析

研制的长庆油田陇东区块水平井钻进用个性化PDC钻头共试验5井次，钻头稳定性好，抗冲击性强，造斜钻进时工具面稳定，平均机械钻速18.52m/h ，单只钻头平均进尺为1462.7m，钻头井下工作时间在均100h以上，与邻井相比，分别提高了21.29％和20.12％，机械钻速和单只钻头进尺均取得了较好的应用效果。

5 结论

为提高陇东区块三维水平井的施工速度，在综合考虑钻头冠部形状、切削齿的形状、尺寸、布齿密度和角度、保径结构等条件的基础上，优化设计了中锥型剖面，预倒角和双重保护切削结构，选用16mm主切削齿，13mm辅助切削齿，切削齿后倾角渐变和5°切削齿侧转角，切边齿保径的个性化PDC钻头，通过现场试验，机械钻速和单只钻头进尺均取得了较好的效果，满足了该区水平井钻井提速的需要，具有较高推广价值。

[1]张坤，邱越， 长庆油田南梁区块PDC钻头钻头研发与应用.内蒙古石油化工,2012,16期

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许明光（1983.9—），助理工程师，现从事工程技术管理，压井、事故复杂处理。

Personalized Design of PDC Bits for 3 d horizontal D rilling of LongDong block Chang Q ing oil field

∶Due to long dong block of Chang Qing oil feld area are affected by the landform and the overall plan of development.Determine to adopt 3 d horizontal well development of construction.Because of the upper formation complex、the target distance is short and offset is large，virtually increased wellbore trajectory control difficulty，for the use of PDC drilling bit is put forward to higher requirement.Therefore，in view of the characteristics of the formation,The PDC bit for trajectory controlof long dong block is personalized designed.The application results show： The personalized PDC bit average speed and single drill footage increased by 21.29％ and 20.12％ respectively，better matching 3 d horizontal well drilling technical characteristics for long dong block.

∶3 d horizontal wel； drillability； PDC bit； Personalized Design.